The Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, version 2 (MERRA-2), is NASA’s latest reanalysis for the satellite era (1980 onward) using the Goddard Earth Observing System, version 5 (GEOS-5), Earth system model. MERRA-2 provides several improvements over its predecessor (MERRA-1), including aerosol assimilation for the entire period. MERRA-2 assimilates bias-corrected aerosol optical depth (AOD) from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer and the Advanced Very High Resolution Radiometer instruments. Additionally, MERRA-2 assimilates (non bias corrected) AOD from the Multiangle Imaging SpectroRadiometer over bright surfaces and AOD from Aerosol Robotic Network sunphotometer stations. This paper, the second of a pair, summarizes the efforts to assess the quality of the MERRA-2 aerosol products. First, MERRA-2 aerosols are evaluated using independent observations. It is shown that the MERRA-2 absorption aerosol optical depth (AAOD) and ultraviolet aerosol index (AI) compare well with Ozone Monitoring Instrument observations. Next, aerosol vertical structure and surface fine particulate matter (PM 2.5 ) are evaluated using available satellite, aircraft, and ground-based observations. While MERRA-2 generally compares well to these observations, the assimilation cannot correct for all deficiencies in the model (e.g., missing emissions). Such deficiencies can explain many of the biases with observations. Finally, a focus is placed on several major aerosol events to illustrate successes and weaknesses of the AOD assimilation: the Mount Pinatubo eruption, a Saharan dust transport episode, the California Rim Fire, and an extreme pollution event over China. The article concludes with a summary that points to best practices for using the MERRA-2 aerosol reanalysis in future studies.

The composition and prevalence of microorganisms in the middle-to-upper troposphere (8–15 km altitude) and their role in aerosol-cloud-precipitation interactions represent important, unresolved questions for biological and atmospheric science. In particular, airborne microorganisms above the oceans remain essentially uncharacterized, as most work to date is restricted to samples taken near the Earth’s surface. Here we report on the microbiome of low- and high-altitude air masses sampled onboard the National Aeronautics and Space Administration DC-8 platform during the 2010 Genesis and Rapid Intensification Processes campaign in the Caribbean Sea. The samples were collected in cloudy and cloud-free air masses before, during, and after two major tropical hurricanes, Earl and Karl. Quantitative PCR and microscopy revealed that viable bacterial cells represented on average around 20% of the total particles in the 0.25- to 1-μm diameter range and were at least an order of magnitude more abundant than fungal cells, suggesting that bacteria represent an important and underestimated fraction of micrometer-sized atmospheric aerosols. The samples from the two hurricanes were characterized by significantly different bacterial communities, revealing that hurricanes aerosolize a large amount of new cells. Nonetheless, 17 bacterial taxa, including taxa that are known to use C1–C4 carbon compounds present in the atmosphere, were found in all samples, indicating that these organisms possess traits that allow survival in the troposphere. The findings presented here suggest that the microbiome is a dynamic and underappreciated aspect of the upper troposphere with potentially important impacts on the hydrological cycle, clouds, and climate.

Abstract Particulate brown carbon (BrC) in the atmosphere absorbs light at subvisible wavelengths and has poorly constrained but potentially large climate forcing impacts. BrC from biomass burning has virtually unknown lifecycle and atmospheric stability. Here, BrC emitted from intense wildfires was measured in plumes transported over 2 days from two main fires, during the 2013 NASA SEAC4RS mission. Concurrent measurements of organic aerosol (OA) and black carbon (BC) mass concentration, BC coating thickness, absorption Ångström exponent, and OA oxidation state reveal that the initial BrC emitted from the fires was largely unstable. Using back trajectories to estimate the transport time indicates that BrC aerosol light absorption decayed in the plumes with a half‐life of 9 to 15 h, measured over day and night. Although most BrC was lost within a day, possibly through chemical loss and/or evaporation, the remaining persistent fraction likely determines the background BrC levels most relevant for climate forcing.

Compared to using conventional jet fuel, the use of a biofuel blend reduces aircraft engine particle emissions at cruising altitude by about 50–70 per cent. Aviation affects the climate as a result of aerosol and carbon dioxide emissions from fossil fuels. Biofuels could be a future source of aviation energy that is not dependent on fossilized carbon, but the environmental impact of these fuels, when used by planes in flight, has not yet been investigated. This study presents observational data gathered from directly behind an aircraft flying at cruise altitude and finds that, compared to using purely conventional fuel, a blend of conventional fuel and biofuel reduces aerosol particle emissions by 50 to 70 per cent. The authors also provide several aerosol parameters that will help transportation and climate modellers to assess whether the use of biofuels in aviation is a feasible strategy to mitigate climate change. Aviation-related aerosol emissions contribute to the formation of contrail cirrus clouds that can alter upper tropospheric radiation and water budgets, and therefore climate1. The magnitude of air-traffic-related aerosol–cloud interactions and the ways in which these interactions might change in the future remain uncertain1. Modelling studies of the present and future effects of aviation on climate require detailed information about the number of aerosol particles emitted per kilogram of fuel burned and the microphysical properties of those aerosols that are relevant for cloud formation2. However, previous observational data at cruise altitudes are sparse for engines burning conventional fuels2,3, and no data have previously been reported for biofuel use in-flight. Here we report observations from research aircraft that sampled the exhaust of engines onboard a NASA DC‐8 aircraft as they burned conventional Jet A fuel and a 50:50 (by volume) blend of Jet A fuel and a biofuel derived from Camelina oil. We show that, compared to using conventional fuels, biofuel blending reduces particle number and mass emissions immediately behind the aircraft by 50 to 70 per cent. Our observations quantify the impact of biofuel blending on aerosol emissions at cruise conditions and provide key microphysical parameters, which will be useful to assess the potential of biofuel use in aviation as a viable strategy to mitigate climate change.

Satellite data of atmospheric pollutants are becoming more widely used in the decision-making and environmental management activities of public, private sector and non-profit organizations. They are employed for estimating emissions, tracking pollutant plumes, supporting air quality forecasting activities, providing evidence for "exceptional event" declarations, monitoring regional long-term trends, and evaluating air quality model output. However, many air quality managers are not taking full advantage of the data for these applications nor has the full potential of satellite data for air quality applications been realized. A key barrier is the inherent difficulties associated with accessing, processing, and properly interpreting observational data. A degree of technical skill is required on the part of the data end-user, which is often problematic for air quality agencies with limited resources. Therefore, we 1) review the primary uses of satellite data for air quality applications, 2) provide some background information on satellite capabilities for measuring pollutants, 3) discuss the many resources available to the end-user for accessing, processing, and visualizing the data, and 4) provide answers to common questions in plain language.

Biogenic sources contribute to cloud condensation nuclei (CCN) in the clean marine atmosphere, but few measurements exist to constrain climate model simulations of their importance. The chemical composition of individual atmospheric aerosol particles showed two types of sulfate-containing particles in clean marine air masses in addition to mass-based Estimated Salt particles. Both types of sulfate particles lack combustion tracers and correlate, for some conditions, to atmospheric or seawater dimethyl sulfide (DMS) concentrations, which means their source was largely biogenic. The first type is identified as New Sulfate because their large sulfate mass fraction (63% sulfate) and association with entrainment conditions means they could have formed by nucleation in the free troposphere. The second type is Added Sulfate particles (38% sulfate), because they are preexisting particles onto which additional sulfate condensed. New Sulfate particles accounted for 31% (7 cm-3) and 33% (36 cm-3) CCN at 0.1% supersaturation in late-autumn and late-spring, respectively, whereas sea spray provided 55% (13 cm-3) in late-autumn but only 4% (4 cm-3) in late-spring. Our results show a clear seasonal difference in the marine CCN budget, which illustrates how important phytoplankton-produced DMS emissions are for CCN in the North Atlantic.

The North Atlantic Aerosols and Marine Ecosystems Study (NAAMES) is an interdisciplinary investigation to improve understanding of Earth's ocean ecosystem-aerosol-cloud system. Specific overarching science objectives for NAAMES are to (1) characterize plankton ecosystem properties during primary phases of the annual cycle and their dependence on environmental forcings, (2) determine how these phases interact to recreate each year the conditions for an annual plankton bloom, and (3) resolve how remote marine aerosols and boundary layer clouds are influenced by plankton ecosystems. Four NAAMES field campaigns were conducted in the western subarctic Atlantic between November 2015 and April 2018, with each campaign targeting specific seasonal events in the annual plankton cycle. A broad diversity of measurements were collected during each campaign, including ship, aircraft, autonomous float and drifter, and satellite observations. Here, we present an overview of NAAMES science motives, experimental design, and measurements. We then briefly describe conditions and accomplishments during each of the four field campaigns and provide information on how to access NAAMES data. The intent of this manuscript is to familiarize the broad scientific community with NAAMES and to provide a common reference overview of the project for upcoming publications.

New particle formation in the free troposphere is a major source of cloud condensation nuclei globally. The prevailing view is that in the free troposphere, new particles are formed predominantly in convective cloud outflows. We present another mechanism using global observations. We find that during stratospheric air intrusion events, the mixing of descending ozone-rich stratospheric air with more moist free tropospheric background results in elevated hydroxyl radical (OH) concentrations. Such mixing is most prevalent near the tropopause where the sulfur dioxide (SO 2 ) mixing ratios are high. The combination of elevated SO 2 and OH levels leads to enhanced sulfuric acid concentrations, promoting particle formation. Such new particle formation occurs frequently and over large geographic regions, representing an important particle source in the midlatitude free troposphere.

Abstract. Mesoscale organization of marine convective clouds into linear or clustered states is prevalent across the tropical and subtropical oceans, and its investigation served as a guiding focus for a series of process study flights conducted as part of the Aerosol Cloud meTeorology Interactions oVer the western ATlantic Experiment (ACTIVATE) during summer 2020, 2021, and 2022. These select ACTIVATE flights involved a novel strategy for coordinating two aircraft, with respective remote sensing and in situ sampling payloads, to probe regions of organized shallow convection for several hours. The main purpose of this measurement report is to summarize the aircraft sampling approach, describe the characteristics and evolution of the cases, and provide an overview of the datasets that can serve as a starting point for more detailed modeling and analysis studies. Six flights are described, involving a total of 80 dropsonde profiles that capture the environment surrounding clustered shallow convection. The flights include detailed observations of the vertical structure of cloud systems, comprising up to 20 in situ sampling levels. Four cases involved deepening convection rooted in the marine boundary layer that developed vertically to 2–5 km with varying precipitation amounts, while two cases captured more complex and developed cumulus congestus systems extending above 5 km. In addition to the thermodynamic and dynamic characterization afforded by dropsonde and in situ measurements, the datasets include cloud and aerosol microphysics, trace gas concentrations, aerosol and droplet composition, and cloud and aerosol remote sensing from high-spectral-resolution lidar and polarimetry.

Abstract. Remote marine regions comprise a high fraction of Earth's surface, but in situ vertically resolved measurements over these locations remain scarce. Here we use airborne data during 15 vertical spiral soundings (0.15–8.5 km) over Bermuda during the NASA Aerosol Cloud meTeorology Interactions over the western ATlantic Experiment (ACTIVATE) to investigate the impact of different source regions on the vertical structure of trace gases, aerosol particles, and meteorological variables over 1000 km offshore of the US East Coast. Results reveal significant differences in vertical profiles of variables between three different air mass source categories (North America, Ocean, Caribbean/North Africa) identified using the Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model: (i) the strongest pollution signature is from air masses from the North America category, while the weakest one is from the Ocean category; (ii) North America air has the highest levels of CO, CH4, submicron particle number concentration, aerosol mass spectrometer (AMS) mass, and organic mass fraction along with smoke layers in the free troposphere (FT); (iii) Ocean air has the highest relative amount of nitrate, non-sea-salt sulfate, and oxalate, which are key acidic species participating in chloride depletion; (iv) air masses from the Caribbean/North Africa showed a pronounced coarse aerosol signature in the FT and reduced aerosol hygroscopicity, which is associated with dust transport; and (v) there is considerable vertical heterogeneity for almost all variables examined, including higher O3 and submicron particle concentrations with altitude, suggesting that the FT is a potential contributor of both constituents in the marine boundary layer. This study highlights the importance of considering air mass source origin and vertical resolution to capture aerosol and trace gas properties over remote marine areas.